自動氣象站風傳感器防凍控制電路設計

　　ATmega8的I/O口輸出負載能力最大為40mA,無法直接驅動大功率設備，必須通過中間驅動電路實現(xiàn)單片機對功率設備工作狀態(tài)的控制。實際應用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅動。由于繼電器或交流接觸器具有機械接觸特點，因而在很大程度上降低了控制系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性?？煽毓枋枪β书_關型半導體器件，能在高電壓、電流條件下工作，有無機械接觸、大具體積小、便于安裝等優(yōu)點，廣泛應用于電力電子設備中。為了避免機械接觸開關的缺點，本系統(tǒng)選用以可控硅為主體的完全光電隔離的中間驅動電路。加熱驅動電路示意圖如圖4所示。

　　當ATmega8的23腳(PC0端)輸出高電平時，通過限流保護電阻器R4的雙向光電耦合器上電工作，雙向可控硅TRIACI柵極被經(jīng)由R1、R2和雙向光電耦合器的信號觸發(fā)導通，加熱電路得電工作;當ATmega8的23腳(PC0端)輸出低電平時，雙向光電耦合器截止，雙向可控硅TRIACI柵極無觸發(fā)信號被關斷，加熱電路斷電停止工作。

　　電路中的R3、C2組成阻容吸收單元，可減小可控硅關斷時加熱電路中感性元件所產(chǎn)生的自感電動勢對可控硅的過壓沖擊。R1、C1組成低通濾波單元，能降低雙向光電耦合器誤觸發(fā)對后續(xù)電路的影響。同時，雙向光電耦合器的使用徹底隔離了強弱電路，避免了大功率器件對單片機的干擾。

　　2.4 加熱元器件的選用

　　通過各類加熱管、電阻式加熱絲、陶瓷發(fā)熱元器件的加熱效果進行反復篩選，對觀測數(shù)據(jù)的影響進行論證試驗，最終選用電阻加熱絲為風傳感器防凍害的加熱元件。

　　3 軟件設計

　　控制程序由數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設定、加熱控制等部分組成。通過采集程序讀取自動氣象站自動生成的實時數(shù)據(jù)文件，提取氣溫、風速、相對濕度等指標數(shù)據(jù)，若達到設定的臨界參數(shù)時，通過串口給ATmega8發(fā)出控制指令，自動啟動加熱電路工作，待延時一定時間(達到設定的加熱持續(xù)時間或不滿足凍結條件時)發(fā)出停止加熱指令，斷開加熱電路，關閉加熱狀態(tài)。也可以使用該軟件選擇“人工啟動”方式，人工控制加熱電路的啟動與停止，達到自動氣象站風傳感器防凍、融凍的目的。

　　控制程序基于Visual Basic 6.0開發(fā)。使用微軟公司提供的MsComm控件有效避免了直接調(diào)用Win32API造成的編程繁瑣等弊端，以較少代碼量實現(xiàn)本系統(tǒng)要求的全雙工異步通信。用戶可通過該軟件任意控制加熱電路的運行。軟件運行界面如圖5所示。

　　控制程序一般安裝在自動氣象站監(jiān)控微機上便于讀取實時觀測資料。若安裝在其它微機上，則必須設定實時觀測資料的共享路徑。若微機串口不夠用，可以使用USB轉232 接口進行轉換，但需安裝USB線驅動程序，并在控制程序中正確設定串口的端口號。開發(fā)中使用筆記本電腦并安裝USB線驅動程序試驗運行通過。

　　4 硬件安裝

　　4.1 加熱裝置

　　自動氣象站風傳感器加熱裝置選用電阻加熱絲為加熱元件，安裝在傳感器內(nèi)部。優(yōu)點是：①由于對風流場不產(chǎn)生影響，沒有機械摩擦影響，對測風光電計數(shù)器沒有影響。因此，不影響觀測數(shù)據(jù)準確性;②電阻加熱絲裝置具有易換性、易維護性、易維修和價格低廉等特點;③加熱裝置的預期壽命及周期為2a以上，便于自動氣象站定期維護。

　　4.2 加熱導線和供電電源

　　自動氣象站風傳感器加熱裝置利用廠家預留的空間位置，導線與自動氣象站供電線路走向相同，通過自動氣象站風桿內(nèi)部送到傳感器，不影響美觀，同時保證能抗雷擊和電磁干擾。

　　使用交流電源變壓器將自動氣象站供電的220V交流轉換為36V(安全電壓)，作為加熱電壓，以保證對人體和儀器的安全。電熱絲電阻為150Ω，加熱功率為8.64W。整個電路體積小巧，重量在1000g以下，可以安放在采集器機箱內(nèi)。